Физические основы прогрева человека в бане

Атмосфера Земли прозрачна для теплового ИК-излучения Солнца в диапазонах - 3,5-4,2 мкм; 4,6-5,0 мкм и 8,2-13 мкм.
И интенсивно поглощает ИК-излучение Солнца:
- в диапазоне 2,5-3,5 мкм парами воды и углекислого газа;
- в диапазоне 4,2-4,6 мкм только углекислым газом;
- а в диапазоне от 5,0 до 8,2 мкм только парами воды.
Таким образом, можно сделать вывод, что в парной руской бани, если в ней присутствует ИК-излучение 5,0-8,2 мкм, что соответствует температуре излучающих предметов 300-80 гр.С соответственно, то оно будет поглощаться парами воды, повышая температуру влажного воздуха, и соответственно, при этом будет уменьшаться относительная влажность в парной.
ИК-излучение менее нагретых предметов, допустим каменных стен с температурой 40-60гр.С, не поглощается парами воды при условии, если относительная влажность воздуха не превышает 60-80%.
В этих-же условиях ИК-излучение от нагретых тел до температуры 300-800 гр.С практически не поглощается парами воды, а значит будет обжигать кожные покровы парящихся.
Однако если относительная влажность воздуха превышает 80-90% (туман-облака), то тогда любое тепловое ИК поглощается почти полностью. Туман «разогревается», облака рассеиваются, а атмосфера снова становится прозрачной.

Необходимо пояснить, что спектр излучения нагретого тела достаточно широк, и цифры выше относятся только к максимумам энергетической светимости нагретого тела. Поэтому, если стенка кирпичной печи имеет температуру допустим около 80гр.С, то только часть энергии ИК, коротковолновая часть спектра, поглощается влагой воздуха, согревая его. Это приводит к восходящим потокам - конвективности вдоль горячей стены печи, с переносом тепла печи под потолок парной.
Низкочастотная часть ИК спектра, пронизывая воздух парной, частично поглощается, частично отражается и переизлучается непосредственно стенами и окружающими предметами, наполняя парную тепловыми (волновыми) переизлучениями.

Режим равновесного теплового излучения в парной может быть только в том случае, если и кирпичная стенка печи, и деревянные стены парной, и температура кожи человека имеют одинаковую температуру. Сколько человек излучает ИК в разные стороны, столько он и обратно с каждой стороны получает. В таком равновесном режиме совершенно не важно, из какого материала выполнены стены и кирпичная печь. Человек этого никак не может различить.

Совсем по иному ощущает себя человек в парной с кирпичной печью, если режим ИК не равновесный. В этом случае материал стен имеет большое значение. А в жизни именно так всегда и происходит.

Чтобы лучше себе представить этот режим, и понять, как влияет на самочувствие и тепловой комфорт человека материал стен помещения, давайте представим себе такую бытовую ситуацию - сравним свои тепловые ощущения в двух небольших не отапливаемых комнатах, одна их которых вся бетонная, а вторая целиком обшита деревом.

В прохладную погоду комфортнее находиться в деревянной комнате, а в жару наоборот, приятнее себя ощущать в кирпичном доме.
А почему? А потому, что дерево и бетон имеют примерно в пять раз различную плотность, и соответственно различную теплопроводность.

Если в прохладную погоду вы находитесь в деревянной комнате, ИК от Вашего тела, попадая на деревянные стены, частично поглощается, а частично отражается на Вас. За счет плохой теплопроводности дерева тонкий поверхностный слой согревается, и сам излучает на Вас при более высокой температуре, в итоге возвращая Вам часть Вашего же тепла. В случае же с бетонными стенами этого не происходит – Ваше излученное ИК тепло практически все уходит в теплопроводящую массу бетона, и Вам, поэтому, холоднее в такой комнате. Стоит только в такой комнате покрыть бетонные стены даже достаточно тонким слоем теплоизолятора, а лучше даже отражающим ИК-лучи материалом, как Вам сразу станет в этой комнате теплее.

То есть, если температура бетонных стен ниже температуры тела человека, то прохладная бетонная стена больше чем деревянная «отсасывает» от человека ИК тепла. Иначе, чем больше теплопроводность стен помещения, тем выше будет теплообмен посредством ИК-излучения.

Ну а если стоит обратная задача – прогрев человека в бане?
Какой материал стен для парной с кирпичной печью в этом случае предпочтительней (в смысле прогрева от ИК, а не паром)?
В этом случае, когда температура стен выше температуры тела человека, в помещении с каменными стенами человеку будет жарче, чем в помещении с деревянными стенами.

А теперь представим себе реальную русскую парную, где у нас имеются деревянные стены и горячая кирпичная стена печи.

Для наглядного представления ИК-тепловых потоков хорошо воспользоваться методом визуализации ИК-излучения – мысленного переноса из невидимой ИК области в видимую. Так, как будто мы одели очки ночного видения. Представим себе для простоты, что горячая кирпичная стенка печи (ок.80гр.С) светится видимым равномерным белым светом. Воздух пока считаем полностью прозрачным.

Если стены парной совсем не отражают и полностью поглощают свет, исходящий от печи, то они будут выглядеть почти совсем черными. Человек, в этом случае, будет освещен только светом печи и только с одной стороны.

Если же стены полностью отражают ИК (покрыты фольгой), либо, при хорошей теплоемкости и теплопроводности хорошенько прогревшись, сами начинают излучать, как и печь, то человек почти полностью будет освещен со всех сторон. Только в этом случае нет «перекоса волновой среды». Парная наполнена «светом» ИК.

В реальном же случае с легкими деревянными стенами парной - стены серые, то есть частично поглощают, а частично отражают ИК. Человек с разных сторон освещен неравномерно.

В банях же «по черному», в финских банях (влазнях), врытых в землю, древесина сруба сырая, пропитанная дымом, копотью и смолами, и потому плотная и тяжелая, имеет хорошую теплоемкость и теплопроводность. После длительной протопки она достаточно сильно разогревается. При остывающих камнях в костре или печи в такой бане люди ощущают довольно таки равномерный и потому глубокий внутренний прогрев.

Еще лучше однородность и интенсивность волнового поля будет ощущаться в каменной бане Михалыча.
Пока стены не нагреты – они почти черные. Сильный перекос волновой среды. И сильный дискомфорт человеку (эффект сквозняка).
Но когда каменная баня хорошо прогреется, а стены напитаются жаром, тогда они сами станут светиться. Вот в такой остывающей каменной бане, когда каменные стены имеют ту же, что и стена печи, температуру, будет очень комфортно греться, потеть и затем париться.
В парной с легкими деревянными стенами и горячей кирпичной стенкой печи достичь однородного волнового поля на сколь-нибудь длительное время практически не возможно.
Поверхностный слой дерева, который собственно и является излучателем ИК, не имея в пористых материалах достаточной подпитки тепла из внутренних слоев, всегда будет иметь меньшую температуру, чем кирпичная печь. А потому и интенсивность теплового ИК потока от дерева примерно в два-три раза меньше, чем от кирпичной печи.

Убедиться в этом не сложно, если потрогать руками в выстоявшейся парной различные предметы: деревянные, каменные и металлические. Реально же в парной мы их «трогаем своими лучами», чувствительные люди это хорошо ощущают. Чем выше теплоемкость и теплопроводность предмета, тем горячее нам кажется предмет, хотя все они имеют одинаковую температуру.

Если сравнить две парные одного размера и с одинаковой тепловой мощностью печи, то парная, в которой площадь поверхности печи больше, а температура ее меньше, обладает более однородным волновым полем, чем парная, в которой установлена печь с маленькой площадью печи и, соответственно, высокой температурой ее поверхности.

Еще в древних трактатах с описаниями устройства Римских Терм подчеркивалась особая важность для хорошего самочувствия равномерного со всех сторон прогрева тела человека в термах.
Влажный воздух парной, как я уже описал выше, является естественным ИК фильтром. Поглощая коротковолновую часть спектра излучения от горячей печи, влажный воздух согревается и поднимается к потолку. А мягкое ИК тепло наполняет парную переизлучениями.

Кроме того, сухая кожа и мокрая имеют разные коэффициенты поглощения и отражения. Мокрая кожа лучше поглощает ИК. Поэтому пленка воды на теле также является своеобразным фильтром-преобразователем для коротковолнового высоко энергетического ИК.

Обливаясь в жаркой парной прохладной водой, мы тем самым делаем прогрев тела более физиологичным. Когда тепловые рецепторы кожи не ощущают воздействия высокой температуры, а пленка воды на поверхности кожи поглощает высокоэнергетические кванты ИК излучения, прогрев становится существенно более комфортным. Организм в этом случае не снижает основной обмен, защищаясь от перегрева кожных покровов. А человек не ощущает зябкости внутри при горячей коже. Под действием мягкого ИК (9,0-9,5мкм) происходит дополнительный рефлекторный разогрев внутренних органов – эндогенный разогрев организма. Тепло идет от «ядра» к поверхности, а не наоборот.

Маслов В.В на форуме "Русская Баня"

Случайное фото: